美國物理教育簡史*

秦鳳玲 吳維寧

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430062)

1 引言

物理教學(xué)一直是美國物理學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)，在過去的200年里，美國的物理教育經(jīng)歷了許多重大的變化.越來越多的人呼吁大學(xué)物理教師和高中物理教師改變他們的課程.19世紀(jì)80年代美國物理教育文獻(xiàn)的研究表明，早期關(guān)于教育改革的研究和現(xiàn)在正在進(jìn)行的教育變革有許多相似之處，在過去的100年或更長的時間里，對物理教育改革的要求在許多方面始終保持相對一致.我們將美國物理教育史分為10個主題部分，總結(jié)每個時期的主要文獻(xiàn)，討論當(dāng)時的重大事件、人物和問題.最后，我們總結(jié)并提出了一些問題，希望物理教育研究者能有效地解決.

2 美國物理教育歷史大綱

2.1 美國物理教育的起源(1860-1884年)

這段時期初，教學(xué)大多數(shù)以教科書、教師講課、學(xué)生背誦為主.雖然升入12年級的高中生都學(xué)過物理，但這一群體在總?cè)丝谥兴急壤怀^5%(見圖1).直到這段時期結(jié)束，無論是在高中還是大學(xué)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的情況都很少見.1880年前后，實(shí)驗(yàn)室教學(xué)開始流行起來.

圖1 年齡為17歲的高中畢業(yè)生中學(xué)物理和不學(xué)物理的比例

1884年密歇根大學(xué)的物理學(xué)教授C.K. Wead發(fā)表了一個全國性調(diào)查的結(jié)果，這個調(diào)查是關(guān)于高中物理教學(xué)的目的和方法.這項(xiàng)調(diào)查在全美的中學(xué)、學(xué)院和大學(xué)的教師中傳閱.Wead的報(bào)告中明確指出物理教育改革難點(diǎn)就在于如何在高中真正大范圍地實(shí)施歸納教學(xué)法，歸納法是指在明確地陳述實(shí)驗(yàn)的一般原理之前都要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及分析.支持這種方法的教科書在這一時期的末期才出現(xiàn)，但是目前還不清楚如何將歸納法廣泛地應(yīng)用于實(shí)際.他經(jīng)常提醒大家關(guān)注Gage的課本，因?yàn)镚age是當(dāng)時唯一支持或闡述了歸納法的教育家[1～3].

2.2 物理教師中的“新運(yùn)動”(1885-1910年)

19世紀(jì)后期，物理教育者們越來越多地主張?jiān)诟咧形锢碚n堂上使用學(xué)生實(shí)驗(yàn)和歸納教學(xué)法.1906年，一場自稱為“物理教師新運(yùn)動”的運(yùn)動開始了，旨在“使基礎(chǔ)課程納入教學(xué)，讓物理更有趣，激發(fā)學(xué)生的興趣”.為此，中央科學(xué)與數(shù)學(xué)教師協(xié)會任命了由兩名高中教師和一名物理教授組成的委員會.委員會的第一步是向全國的高中物理教師發(fā)出調(diào)查，調(diào)查主要是征求學(xué)生認(rèn)為第一年物理教學(xué)中哪些實(shí)驗(yàn)是“必要的”，也詢問了教師對“使物理更有趣、更有啟發(fā)性、更有教育意義的因素是什么”的意見，并將調(diào)查結(jié)果發(fā)表在兩份主要的科學(xué)教育雜志上.

2.3 “項(xiàng)目方法”和PER的早期階段(1911-1914年)

這段時期是“項(xiàng)目法”早期階段，學(xué)生們要參與冗長的調(diào)查，主要調(diào)查學(xué)生感興趣并與日常生活相關(guān)的實(shí)際問題.這一時期的一個新趨勢是在高中課程中引入“普通科學(xué)”課程，用來吸引對“特殊”科學(xué)(如物理和化學(xué))不感興趣的學(xué)生.普通科學(xué)的主要支持者是師范學(xué)校及科學(xué)教育教師，其中大多數(shù)對高中的“特殊”科學(xué)教學(xué)的可取性和有效性表示懷疑.一些物理教育者尤其是Millikan認(rèn)為普通科學(xué)僅僅是為了吸引有能力的學(xué)生遠(yuǎn)離物理和其他科學(xué)的學(xué)習(xí)，浪費(fèi)在無效的考查課程而不是花在有意義的學(xué)習(xí)上.

此時期出版了20世紀(jì)上半葉美國物理學(xué)教育最偉大的綜合著作——C. R. Mann的《普通教育中的物理教學(xué)》. 為了解決當(dāng)代物理教育者面臨的困境，Mann建議采用一種特別設(shè)計(jì)的教科書支持的項(xiàng)目方法，比如他和G. R. Twiss在第二版中更新的那本. Mann認(rèn)為物理教師的最終目標(biāo)必須是讓學(xué)生參與能夠喚醒“科學(xué)精神”的活動.

2.4 中學(xué)課程重組(1915-1922年)

此期間高中入學(xué)率隨著物理和其他科學(xué)的減少而呈現(xiàn)爆炸性增長,然而高考成績卻較差(見圖1和表1)，因此，重新激起整個中學(xué)科學(xué)課程結(jié)構(gòu)調(diào)整和修改.

表1 高中畢業(yè)生(公立和私立學(xué)校)修過多年物理課程的百分比

注:1920年以前，很多在10年級或11年級學(xué)習(xí)物理的學(xué)生沒有畢業(yè);1900年以前，修物理的學(xué)生中有40%甚至更多沒有高中畢業(yè).

1918年，NEA的中學(xué)教育重組委員會(CRSE)發(fā)表了中學(xué)教育基本原則，重點(diǎn)是讓學(xué)生為“日常生活”做好準(zhǔn)備.科學(xué)委員在1920年發(fā)表了他們自己的報(bào)告，其中物理小組委員會的報(bào)告承認(rèn)有必要將物理與學(xué)生的日常生活聯(lián)系起來，強(qiáng)調(diào)真正以實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的研究可能導(dǎo)致物理學(xué)原理的歸納以及Mann所謂的“科學(xué)精神”的培養(yǎng)，以此引用了項(xiàng)目方法.

師范院校及科學(xué)教育教師普遍支持將科學(xué)用于日常生活，他們在關(guān)于中學(xué)科學(xué)課程的爭論中發(fā)揮著重要的作用.科學(xué)教育工作者也使用“項(xiàng)目方法”來代表他們活動的關(guān)鍵部分，他們認(rèn)為歸納的過程主要是了解人造技術(shù)如何工作,而不是如Mann所說的“世界是一個和諧、良好的生物,如果他們夠努力,夠誠實(shí)和夠耐心，就可能找到和諧”的生活態(tài)度.

科學(xué)教育工作者的觀點(diǎn)與Mann, Twiss和Millikan等人的觀點(diǎn)形成鮮明對比，關(guān)于科學(xué)教育的最終目的和價值產(chǎn)生了嚴(yán)重的分歧.如Twiss等物理教育者認(rèn)為，學(xué)?？茖W(xué)的目的是創(chuàng)造一個有科學(xué)素養(yǎng)的公民，并且能重視科學(xué)研究的方法和精神.物理學(xué)家實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的方法是創(chuàng)建可以激發(fā)學(xué)生的科學(xué)精神，提供沉浸在科學(xué)變革體驗(yàn)中的課堂教學(xué)環(huán)境.

2.5 教育家主導(dǎo)(統(tǒng)治)(1923-1947年)

此時期高中和大學(xué)的物理教育者出現(xiàn)了明顯的分化，每個群體都追求各自不同的目標(biāo).推動K-12科學(xué)教育對話，討論各種課程教學(xué)改革的主要是教育學(xué)校的教師，而不是物理教授.以教育為導(dǎo)向的物理學(xué)家，通過美國物理學(xué)會成立的委員會分析和改革大學(xué)物理教育以便更好地適應(yīng)農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和工程專業(yè)等不同學(xué)生的的需求. 這些物理學(xué)家在物理團(tuán)體中并沒有產(chǎn)生共鳴，所以在1930年11月的最后一天創(chuàng)建了美國物理教師協(xié)會(AAPT).

另一個重要主題是對物理教師教育的興趣大大增加，并且這種興趣擴(kuò)展到了大學(xué).許多科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域都感到有必要改進(jìn)和擴(kuò)大對科學(xué)教師的教育，并成立各種聯(lián)合委員會及發(fā)表報(bào)告，促成了前所未有的合作水平.這一時期的早期，教育部門也大力提倡應(yīng)大幅度提高高中理科教師的學(xué)科能力，并建立適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和規(guī)章以確保達(dá)到效果.

2.6 物理學(xué)家的重新參與與課程改革的興起(1948-1966年)

此時期的事件是由戰(zhàn)爭年代的經(jīng)歷和戰(zhàn)后對科學(xué)和科學(xué)家在美國社會中作用的關(guān)注所形成的.冷戰(zhàn)時期對技術(shù)安全的擔(dān)憂，加上戰(zhàn)爭導(dǎo)致的技術(shù)人員短缺，促進(jìn)了對科技教育資源的重新分配.物理學(xué)家在戰(zhàn)爭期間所扮演的核心角色，極大地增加了政府、工業(yè)界和普通民眾對物理學(xué)家以及其他科學(xué)家和技術(shù)人員的支持.

社會觀念轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵是1950年國家科學(xué)基金會及各種能夠接觸到政府最高層并對其施加影響的科學(xué)咨詢委員會的成立.盡管為科學(xué)研究設(shè)立中央聯(lián)邦資助機(jī)制討論了至少65年，但直到冷戰(zhàn)時期才將這一觀點(diǎn)所受到的政治阻力克服. 然而，在這一時期最具變動性的事件是1957年蘇聯(lián)發(fā)射的人造地球衛(wèi)星.這次發(fā)射在美國公眾和決策者中引起了轟動，以至于在不到3年的時間里，聯(lián)邦政府對數(shù)學(xué)和科學(xué)教育的資助增加了一個數(shù)量級.啟動的幾個項(xiàng)目已經(jīng)吸引了大學(xué)里的物理學(xué)家來努力改善高中物理，并且這些項(xiàng)目由于國會的支持而獲得了前所未有的強(qiáng)大推動力.

這些事件最直接的結(jié)果是：(1)物理學(xué)教師在夏天接受在職培訓(xùn)，并且由NSF和私人企業(yè)資助的學(xué)年“研究院”快速增加;(2)聯(lián)邦政府資助旨在全國范圍內(nèi)改變課堂教學(xué)，推動中小學(xué)科學(xué)課程發(fā)展.許多新的課程教學(xué)強(qiáng)調(diào)深入的概念推理和以調(diào)查為導(dǎo)向的學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動，并側(cè)重于相對較少的基本的統(tǒng)一原則，而不是大量的技術(shù)應(yīng)用.

2.7 戰(zhàn)后改革的高潮和現(xiàn)代PER的出現(xiàn)(1967-1991年)

1968年，委員會發(fā)表了具有里程碑意義的高中物理教師準(zhǔn)備研究報(bào)告，呼吁人們關(guān)注提高物理教師的質(zhì)和量.1972年，國家研究委員會的物理調(diào)查委員會發(fā)表報(bào)告：支持創(chuàng)建探究為基礎(chǔ)的大學(xué)物理課程以培養(yǎng)高中物理和小學(xué)科學(xué)教師.物理學(xué)家Arons和R. Karplus都對建立現(xiàn)代PER產(chǎn)生了影響，他們都從傳統(tǒng)的物理研究過渡到物理課程開發(fā).20世紀(jì)70年代，華盛頓大學(xué)的L. C. McDermott通過對物理學(xué)習(xí)的系統(tǒng)研究，為中小學(xué)教師準(zhǔn)備了物理課程，大大擴(kuò)展了這項(xiàng)工作.與此同時，亞利桑那州立大學(xué)的D. O. Hestenes批評大多數(shù)物理學(xué)家缺乏K-12教育的參與，并認(rèn)為教育學(xué)院的教師沒有能力處理具體學(xué)習(xí)內(nèi)容問題，他呼吁在K-12教育中增加物理教師的角色.

20世紀(jì)70年代，F(xiàn). Reif和同事們將物理學(xué)作為研究大學(xué)生解決問題能力的參考標(biāo)準(zhǔn).McDermott的小組發(fā)起了關(guān)于美國大學(xué)生物理學(xué)習(xí)的調(diào)查行動，L. Viennot對學(xué)生在物理學(xué)中的“自發(fā)概念”進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.20世紀(jì)80年代，Hestenes和同事 I. A. Halloun 開發(fā)并發(fā)布了基于研究的力概念量表(FCI)的最初版本，提高了大學(xué)物理教師對PER的認(rèn)識.同時，物理學(xué)家們在大學(xué)物理課堂中率先將計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)應(yīng)用到導(dǎo)查教學(xué)中， 而其他人則強(qiáng)調(diào)在物理教學(xué)中使用多種陳述方法(圖、表、詞等)進(jìn)行定性分析.1983年發(fā)表的開創(chuàng)性報(bào)告《一個處于危險中的國家》促成了一系列國家委員會、報(bào)告、調(diào)查，最終導(dǎo)致了重大的新舉措和科學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)”的實(shí)施.

2.8 概念物理學(xué)和現(xiàn)代PER的興起(1992-2001年)

在此期間美國物理教育出現(xiàn)了兩種前所未有的變革性現(xiàn)象:(1)高中物理課程多樣性增加，物理入學(xué)率大幅上升；(2)高校物理系對當(dāng)代物理教育研究的接受程度不斷擴(kuò)大.19世紀(jì)80年代中期，高中畢業(yè)生中選修過物理課程的比例達(dá)到歷史最低水平16%～18%，到2001年達(dá)到31%，這一上升趨勢一直延續(xù)到今天，而這種增長中最大的一個因素是“概念”物理課程的迅速發(fā)展.

作為標(biāo)準(zhǔn)的、以數(shù)學(xué)為導(dǎo)向的“大學(xué)預(yù)備”課程的補(bǔ)充，新物理課程的制度化實(shí)現(xiàn)了20世紀(jì)初物理教育改革者的目標(biāo)之一.新修訂的課程注重物理概念以及定性和定量解決問題的能力.從內(nèi)容的角度來看，這些課程在很大程度上符合最新的國家科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)：科學(xué)素養(yǎng)的基準(zhǔn)(1993)和國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)(1996).20世紀(jì)70年代，為數(shù)不多的幾位物理學(xué)家開始研究大學(xué)生物理學(xué)的學(xué)習(xí).在此期間，AJP發(fā)表了90多篇 PER論文，水平有了顯著提高.PER影響力上升的另一個指標(biāo)是：期間參加AAPT全國會議的人數(shù)急劇增加.為了支持研究和發(fā)展工作，越來越多的攻讀物理教育博士學(xué)位的研究生加入到這項(xiàng)工作中來，一年一度的全國物理教育研究者會議順利召開并越來越受歡迎.

2.9 現(xiàn)在的高中物理和國家報(bào)告(2002-2014年)

物理教育研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，AJP和《物理評論》每年發(fā)表50～80篇論文，物理教育研究會議的年度同行評議論文集已經(jīng)增長到400多頁.物理學(xué)家對教育改革活動的參與達(dá)到了前所未有的水平，這些活動包括集中改善高中教師教育,通過基于證據(jù)的方法轉(zhuǎn)變大學(xué)物理教育.個別資源評估的結(jié)果越來越多地納入國家報(bào)告. 2005年，由美國物理學(xué)會出版的《物理評論》的一個專題啟動，標(biāo)題為《物理評論專題-物理教育研究》.物理教師教育聯(lián)盟于2001年由APS與AAPT合作建立，重點(diǎn)是吸引物理教師參與與物理教師教育相關(guān)的討論.2008年，Phys TEC與AIP合作，發(fā)起了“物理教師教育特別工作組”，經(jīng)過4年的研究，發(fā)表了130頁的報(bào)告，改變了物理教師的準(zhǔn)備工作:一個行動的呼吁， 此外還有另外兩份出版物《物理教師教育:研究、課程和實(shí)踐》 和《教育未來物理學(xué)老師》. 20世紀(jì)60年代以來，美國物理學(xué)會從未如此集中精力改善高中物理教育.

3 總結(jié)

自19世紀(jì)60年代末以來，高中和大學(xué)都一直對物理教學(xué)方式進(jìn)行不斷改變.從1893年“十人委員會”的報(bào)告到20世紀(jì)50年代后期蘇聯(lián)人造衛(wèi)星等物理內(nèi)容的課程改革，直到今天，大學(xué)教育以及物理學(xué)家已經(jīng)深入?yún)⑴c高中物理和物理教師的準(zhǔn)備工作.對這段歷史的敘述不可避免地導(dǎo)致了某些主要問題:什么策略可能在廣泛和持久的基礎(chǔ)上改善物理教育?之前的策略是否成功地產(chǎn)生了持久的影響?真的有什么改變嗎?

盡管在150多年的時間里，每個時期的主題都有許多相似之處，但物理教育也確實(shí)發(fā)生了一些重要的變化.早期的事件和最近時期的事件有一個明顯的區(qū)別，那就是大學(xué)教育程度的人均水平的發(fā)展.教育改革的動力不僅僅是高中物理，最近改革的焦點(diǎn)已經(jīng)在大學(xué)層面.與此同時，近來高中科學(xué)改革主要集中增加工程和技術(shù)課程，而不是像20世紀(jì)早期到中期那樣集中于物理、化學(xué)和生物課程.自20世紀(jì)初以來，從K-12到大學(xué)的各個階段，實(shí)施以實(shí)踐、主動學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的大規(guī)模教學(xué)仍然面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn).同時，教師授課的準(zhǔn)備工作仍然是一個挑戰(zhàn)，在很大程度上是由科學(xué)教育者進(jìn)行或指導(dǎo)的，這些教育者往往不重視具體的物理教學(xué)方法，而強(qiáng)調(diào)適合“普通科學(xué)”的方法.

這里仍有許多未解之謎.例如:

(1)盡管“歸納”教學(xué)法得到了廣泛和長期的支持，但它有各種各樣的名字，如“探究”“科學(xué)實(shí)踐”等，這種方法在高中或大學(xué)物理課程中從來沒有成功實(shí)施.如何解釋它的持續(xù)失敗呢?從邏輯上和實(shí)踐上來說，僅僅是因?yàn)檫@些方法很難融入正常的課堂實(shí)踐嗎?

(2)PSSC和Project Physics在歷史上標(biāo)志著一次全國性的大規(guī)模物理教育改革成為可能.這是怎么發(fā)生的?它只是簡單地歸因于冷戰(zhàn)的特定影響，還是有可能與其他歷史環(huán)境相關(guān)?盡管在這個項(xiàng)目中投入了巨大的努力和資源，為什么它沒有持續(xù)下去?是否有現(xiàn)有的資源和想法可以使我們有可能模仿PSSC和項(xiàng)目物理學(xué)的初始影響，同時有一個可持續(xù)的模型來保留和擴(kuò)展初始影響，從而產(chǎn)生更持久的影響?

(3)現(xiàn)代人關(guān)注學(xué)生對物理概念的理解是否會導(dǎo)致教育改革發(fā)生不同于以往的變化?

(4)現(xiàn)在或曾經(jīng)有過物理教育者對于物理教育最重要的目標(biāo)達(dá)成共識嗎?主要是教授實(shí)用的、事實(shí)性的知識嗎?表達(dá)對基本原理的深刻理解?培養(yǎng)科學(xué)方法實(shí)踐能力?如果在教學(xué)目標(biāo)上仍存在根本分歧，能否就有效的改革方法達(dá)成共識?